众人好！今天来了解一篇对于师法蝠鲼的软游水机器东谈主的策划——《Spontaneous snapping-induced jet flows for fast， maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer》发表于《SCIENCE ADVANCES》。海洋生物的游水时势一直是科学家们想象软游水机器东谈主的灵感起源，可其中的挑战也不少。就像之前师法蝠鲼想象的软游水机器东谈主，双稳态结构耗能又复杂。这篇策划空姐 偷拍，提议了单稳态扑翼软游水者，它会如何惩办艰难，带来哪些惊喜推崇呢？让咱们沿途走进这个神奇的软游水寰宇！

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一、策划布景与挑战

（一）生物启发的软游水机器东谈主

海洋中领有万般游水时势的动物，如蝠鲼等，为软游水机器东谈主的想象提供了丰富灵感。蝠鲼的胸鳍指挥神志专有，其背腹扁平的身体和宽大的胸鳍所展现的mobuliform游水时势，具备快速、高效和高生动性的特色。这种生物特征眩惑了科研东谈主员烦闷于师法其游水时势来想象软游水机器东谈主，但现时要已毕这么的机器东谈主仍濒临诸多挑战。

（二）现存策划的局限

近期对于蝠鲼状软游水机器东谈主的策划，虽尝试使用软材料和扑翼机制，并纠合复杂的能源单位和适度模块来师法mobuliform游水，但策划尚未达成。举例，之前策划的双稳态扑翼软游水者，虽在一定进程上已毕了较高的游水速率（3.74体长/秒）和效劳（1Hz驱动频率下），但仍存在诸多问题。双稳态结构在能量期骗上效劳较低，其想象和适度复杂，尤其是在周期性指挥和挪动方面。如在双稳态扑翼游水者中，已毕一个扑翼指挥周期需要两个驱动输入（底部驱动层充气-放气，顶部驱动层充气-放气）和四步驱动序列，这不仅增多了分量，还收尾了速率和能量效劳。而且，此类软游水机器东谈主在无结构水下环境中的生动性，终点是在不同深度游水和抗碰撞才略方面，仍有待探索。此外，以往策划中软游水机器东谈主的波形指挥对推力产生、效劳和游水速率的影响尚未获得充分策划。

二、单稳态扑翼软游水者的立异想象

（一）想象组成

为克服上述挑战，本次策划提议一种新的软游水机器东谈主想象，其具有单稳态扑翼。该软游水者由软气动迂回致动器手脚身体（含单层顶部空气通谈）和一双单稳态翅膀组成。单稳态翅膀的制作经过是先将两个平行柔性丝带结尾粘合酿成双稳态预弯框架翅膀，然后通过一定时长的热处理开释预应力，使其转动为单稳态。同期，还在软游水者上附加薄膜和软扩张鳍以增强鼓励力。

（二）驱动举止上风

单稳态翅膀与双稳态翅膀在驱动举止上有权贵区别。在双稳态情况下，翅膀充气后向下扑动，放气后仍保捏凸时势态（褂讪气象II），需稀奇驱动才气规复运转气象；而单稳态翅膀放气时，会在弹性规复力作用下自觉进取扑动回到运转褂讪气象，无需稀奇能量输入。这种自觉的规复举止带来诸多上风，它极地面简化了想象、驱动和适度经过，仅需适度一个驱动输入，便于已毕无缆想象，缓慢了游水者分量，栽培了能量效劳，还能加快峰值驱动频率，使翼尖已毕方形波形指挥，产生比双稳态和其他扑翼游水机器东谈主更高的推力和功率。举例，该软游水者在1.67Hz的低驱动频率下，速率可达6.8体长/秒，比双稳态想象快近两倍，且能耗缩小1.6倍，速率以致进步了一些快速游水的动物，如大欧好意思鲑鱼。

三、双稳态-单稳态转动的关键策划

（一）相图分析

在55°C下，不同翼展长度的翅膀经过不同热处理技巧后的双稳态到单稳态转动的相图。不错看出，对于给定的翼展长度，跟着热处理技巧增多，翅膀缓缓从双稳态转动为单稳态，且翼展较小的翅膀由于储存的弹性应变能较高，需要更长技巧来开释能量完成转动。不同翼展长度翅膀在热处理前后的时势对比可直不雅不雅察到这一变化。

（二）力-位移弧线与能量景不雅弧线

以160mm翼展的翅膀为例，在未热处理（T=0min）时，其力-位移弧线知道出负斜率和负力，能量景不雅弧线有两个局部能量最小值，标明此时翅膀为双稳态。当热处理技巧增多到约20min时，力-位移弧线接近零力线，对应相图中的转动区域，此时能量景不雅弧线仅在d=0处有一个局部最小值，标明翅膀已转动为单稳态。进一步增多热处理技巧，力-位移弧线保捏在零力线上方，考据了单稳态的褂讪性。这一策划为想象快速单稳态扑翼机器东谈主提供了弥留指挥，即选择处于转动区域临界气象的热处理技巧，可使单稳态翅膀在驱动时开释最大能量，已毕最快游水速率。

四、高速高效游水性能的深度分解

（一）游水步态与指挥轨迹

以翼展160mm、热处理技巧20min的单稳态扑翼机器东谈主为例，在驱动频率为1.25Hz、驱动压力为61kPa时，其在一个扑翼周期中的指挥经过了了可见。充气时，身体向下迂回，驱动翅膀逆时针旋转并向下扑动，在短技巧（21ms）内快速加快完成向下扑动产生上前推力，随后放气时马上自觉进取扑动进一步鼓励。翅膀顶端的指挥轨迹呈高度划分称的三维“8”字形，而身体则进行二维迂回指挥，与双稳态软游水者的对称“8”字形轨迹酿成澄莹对比。这种划分称指挥使得翼尖速率呈划分称方形波形，而非双稳态和其他一样机器东谈主的正弦波形，从而增强了推力。

（二）参数策划与性能评估

通过对不同翼展长度和驱动频率的单稳态扑翼机器东谈主进行参数策划发现，在157mm翼展和1.67Hz驱动频率下，软游水者可达到约156.4mm/s（约6.8BL/s）的峰值平均速率，此时产生最高推力。同期，其能量效劳通过斯特劳哈尔数（St）评估，所有157mm翼展的游水者在不同频率下的St值均在当然选择的高功率效劳窄范围内（0.2

（三）推力产期望制的揭示

为长远认识高速高效的原因，纠合PIV测量和CFD模拟策划其流体能源学。在PIV推行中，游水者基于规矩速率和翼长的雷诺数为6500，CFD模拟使用雷诺数1500，两者收尾高度一致。软游水者在向下扑动捕捉和进取扑动规复时齐会产生一双反向旋转涡旋，这些涡旋偶极子和射流是推力产生的关键。向下扑动时，正前缘涡（LEV）与上一周期产生的正后缘涡（TEV）同一，酿成更强的TEV偶极子和射流；进取扑动时则无此涡旋同一机制，因此向下扑动产生的射流更强。

此外，在翼尖和尾缘还会酿成高动量射流，以及在翼下方产生LEV诱惑的快速流动，这些共同作用使得软游水者大概保捏高速和生动性。与鱼和蝠鲼的推力产期望制比拟，软游水者的翼尖指挥产生的LEV在翼尖更超过，且其尾迹由两个正负涡对（2P）组成，不同于好多鱼和鳐类游水者的反向冯・卡门涡街（2S），2P尾迹在流向和横向齐能产生高大的力空姐 偷拍，有助于保管高速率和生动性。

五、褂讪导航才略的全面展示

（一）多模态水卑劣泳

为使软游水者能在水卑劣泳，在其腹部中心附加一个小分量（如0.68g的小钢球，约为自豪的30%），不影响其扑动捕捉指挥。通过浅薄鼎新驱动频率，软游水者可已毕多模态水下和水面游水。在较高频率（如1.43Hz）时，能从水底快速游向水面并过渡到水面游水时势；缩小频率（如1.25Hz）可在高潮到一定深度后过渡到该深度的巡航时势；进一步缩小频率（如1.11Hz）可缩小巡航深度；当频率为1Hz时，能在水底爬行。

其游水轨迹和水平位移随技巧变化了了展示了不同频率下的游水时势，且平均水卑劣泳速率随频率增多而增多，与名义游水一样。

同期，增多附加剧量与缩小频率对多模态游水时势有换取效果，何况在高频率（1.43Hz）下，即使捎带与自豪相等的负载，软游水者仍能快速从水底游向水面。

（二）阻止物课程导航

软游水者凭借多模态游水才略，可在浅薄垂直水下阻止物课程中通过鼎新驱动频率已毕灵活导航。该阻止物课程由两个上泡沫板和一个下金属板组成。从水底开赴，在较高频率（如1.43Hz）下高潮，缩小频率（如1Hz）下落，再栽培频率（如1.43Hz）高潮，通过“S”形游水轨迹避弛阻止物。其高潮和下落是通过均衡分量、浮力和升力已毕的，在扑动捕捉时，由于气室充气，浮力增多，且向下扑动射流强于进取扑动射流，导致升力增多，从良友毕频率依赖的升力适度。

导航经过中攻角随技巧的变化，当频率为1.43Hz时，浮力和升力之和进步重力，游水者高潮；缩小频率时，升力减小，游水者因重力下落。此外，软游水者在与阻止物碰撞时推崇出高抗碰撞性，如鄙人降经过中以较低频率（0.67Hz）碰撞上阻止物时，会微细下千里后规复；高潮经过中碰撞下阻止物时，能通过屡次与阻止物互相作用链接高潮。同期，在外部扰动（如用塑料棒搅拌水）下，软游水者也能在微细下千里后马上规复水面游水，展示了高游水褂讪性。

六、无缆软游水者的办法考据与性能

（一）想象与集成

终末，策划东谈主员探索了无缆单稳态软扑翼游水者的办法想象。在软游水者后方集成了包含电路板、电板和睦泵的泡沫货色。气泵由12-Vpp电压驱动，适度电路输出驱动信号。为栽培操作效劳，对气动软迂回致动器、翼展长度和丝带宽度进行了得当增大，这导致驱动频率缩小至0.77Hz（由于充气和放气技巧蔓延）。

（二）户外游水推崇

在户外当然水池的测试中，无缆软游水者尽管受到风、水流等干涉，但仍推崇出素雅的褂讪性和敏捷性。其游水轨迹知道，在约30秒内可游进步1米，在0.77Hz驱动频率下速率达1.18体长/秒，输送本钱为12.9。速率随频率增多而单调增多，输送本钱随频率缩小而缩小。与其他无缆软游水机器东谈主比拟，该无缆软游水者在速率和输送本钱方面具有较着上风，其最高平均速率（1Hz时为1.35BL/s）进步大大宗无缆软游水机器东谈主，且输送本钱远低于其他电动无缆软游水机器东谈主，如基于介电弹性体（CoT=339.7）和液压放大自开发静电致动器（CoT=15.9）的机器东谈主，这体现了单稳态想象在气动软游水者中节能的上风。

七、策划追忆与预测

（一）效劳追忆

本策划见效展示了期骗单稳态扑翼软游水者的自觉捕捉不褂讪性，已毕了多项前所未有的才略，包括在拙劣耗下达到创记录的高相对游水速率、多模态水面和水卑劣泳时势、在无结构水下环境中的高生动性和抗碰撞性，以及在外部扰动下的褂讪游水才略。其背后的机制是双涡对尾迹和分叉捕捉-规复射流产生的高推力，以及频率依赖的升力使游水者能通过鼎新驱动频率在不同深度游水和穿越阻止物，与阻止物的自顺应互相作用增强了抗碰撞性。

（二）改日预测

这项使命为想象快速、高效和生动性强的水下机器东谈主系统开辟了新道路，单稳态想象在多种结构的快速有劲周期性指挥生成方面具有简化想象、驱动和适度的后劲，有望平淡应用于空气、陆地和水下的快速节能指挥或软机器东谈主的多时势应用。联系词，现时无缆想象仍存在局限性，终点是在本体应用中，需要进一步优化想象和系统集成，以已毕更紧凑、高效的无缆游水者，闲适如深海探索（生态系统、水下监视和检测）和水面及水下环境监测（水质、污辱水和蔼环境变化）等复杂环境中的应用需求。

八、沿途来作念作念题吧

1、以下哪种海洋动物的游水时势因其快速、高效和高生动性而对软游水机器东谈主想象具有终点眩惑力？

A. 海豚

B. 蝠鲼

C. 章鱼

D. 海龟

2、单稳态扑翼软游水者比拟双稳态想象的主要上风不包括以下哪点？

A. 仅需单输入驱动即可已毕周期性扑动

B. 能已毕更高的游水速率

C. 不需要弹性规复力

D. 能耗更低

3、凭据相图，对于翼展较小的翅膀，其从双稳态转动为单稳态需要怎么的条目？

A. 更短的热处理技巧

B. 更长的热处理技巧

C. 更高的热处理温度

D. 更低的热处理温度

4、单稳态软扑翼游水者已毕高速高效游水性能的关键机制不包括以下哪项？

A. 对称的正弦波形指挥

B. 单稳态捕捉不褂讪性诱惑的推力产生

C. 涡旋偶极子和射流的酿成

D. 频率依赖的升力

5、软游水者在水下阻止物课程中已毕高潮和下落的主要旨趣是通过鼎新什么？

A. 附加剧量的大小

B. 驱动频率

C. 翅膀的时势

D. 气室的大小

6、无缆单稳态软扑翼游水者与其他无缆软游水机器东谈主比拟，其上风主要体现时以下哪个方面？

A. 更高的驱动电压

B. 更大的尺寸

C. 更好的速率和输送本钱推崇

D. 更复杂的适度模块

参考文件：

Haitao Qing et al. Spontaneous snapping-induced jet flows for fast空姐 偷拍， maneuverable surface and underwater soft flapping swimmer. Sci. Adv. 10， eadq4222(2024).